Оглавление

• Вступление
• Основы охлаждения
• Увеличение площади поверхности теплообмена
• Увеличение коэффициента теплоотдачи
• Скорость движения воздуха
• Площадь охлаждения
• Формирование воздушного потока
• Толщина воздушного потока
• Расход воздуха
• Уменьшение температуры охлаждающего воздуха
• Системы, обеспечивающие приток свежего и холодного воздуха внутрь системного блока
• Системы, обеспечивающие передачу тепла на наружную поверхность корпуса, охлаждаемую забортным воздухом

Вступление

Сразу следует отметить, что далее речь пойдет о воздушном охлаждении жесткого диска. Наиболее дешевом и самом распространенном.

Сегодня в Интернете можно найти огромное количество материалов, посвященных проблемам воздушного охлаждения жестких дисков и подавления производимого ими шума. Найти можно практически все кроме последовательного систематизированного подхода к решению этой проблемы.

И решается она по-разному:

• одни считают, что главное – охладить и обвешивают весь винчестер радиаторами, окружают мощнейшими воющими и ревущими вентиляторами, а шум считается побочным явлением, не заслуживающим внимания;
• других раздражает подобный шум, и они пытаются каждый по своему бороться с ним, причем нередко в ущерб охлаждению;
• а многие и вовсе не представляют последствий перегрева и не обращают внимания ни на запредельные температуры, ни, тем более, на шум.

Почему так?

Дело, скорее всего в том, что мало кто в достаточном объеме знаком с путями решения проблем как эффективного охлаждения и подавления шума производимого жестким диском (да и компьютерной системой в целом).

Такое состояние дел и обусловило появление данной статьи. Основная цель ее – оказать посильную помощь в уяснении, осмыслении и систематизации общих принципов и путей комплексного решения проблем, как охлаждения жесткого диска, так и подавления производимого им шума.

В данной статье:

• по возможности кратко, популярно или даже вовсе аксиоматично изложены сведения и минимальные основы, необходимые для понимания рассматриваемого материала и подходов к выбору конкретных конструктивных решений;
• приведена попытка не только анализа и классификации методов и способов воздушного охлаждения жесткого диска и снижения производимого им шума, но и анализа эффективности решений используемых в типовых устройствах охлаждения и снижения шума жестких дисков;
• показан пример комплексного подхода к решению проблемы охлаждения и снижения шума жесткого диска, как при выборе конкретного готового устройства, так и при практической разработке и изготовлении самодельной конструкции.

Хочется надеяться, что статья будет полезной всем желающим получить наиболее сбалансированное решение по охлаждению жесткого диска, производящее минимум шума и не допускающее перегрева диска даже при экстремальных условиях эксплуатации и нагрузках. Причем как тем, кто ориентируется на готовое решение, так и тем, кто для наиболее эффективного решения задач по данной теме готов проявить смекалку в доработке готовых решений, смастерить что-нибудь свое.

Примечания

Многие используемые в статье термины в настоящее время имеют достаточно много толкований. Поэтому в таких случаях будем особо оговаривать их смысл и содержание, используемые в статье.

Для акцентирования внимания читателей используются следующие знаки:

• - Важная информация
• - Очень важная информация;
• - Основа метода или способа охлаждения или снижения шума жесткого диска;
• - Метод, вариант, способ;
• - Хорошее решение;
• - Плохое решение.

ОСНОВЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Жесткий диск нагревается как элементами электроники, так и элементами электромеханики. Причем больше тепла выделяют, пожалуй, элементы механики, например, такие как катушка позиционера в банке с механикой (гермоблоке) или электродвигатель. Электроника тепла выделяет меньше, но отдельные микросхемы из-за малых размеров обычно разогреваются до большей температуры, чем гермоблок.

От повышенных температур медленно деградируют не столько электронные компоненты контроллера или поверхность пластин, сколько элементы механики. Срок службы жесткого диска сокращается. Повышенная температура губительно действует на подшипники, места соединения движущихся частей и, особенно, на головки чтения-записи. Очень же сильный нагрев может привести к немедленному отказу жесткого диска.

А каковы же должны быть рабочие температуры?

Мнений тут много, но многие сходятся к тому, что с точки зрения срока службы жесткого диска оптимальной температурой банки можно считать (35…45)°С, а рабочая температура для большинства современных микросхем согласно документации на них значительно больше и может достигать 125 °С

Конечно, если имеются уж очень сильно греющиеся чипы, то срок службы электроники может значительно сокращаться. Но это явление достаточно редкое и скорее относится к просчетам разработчиков.

Кроме того, производители дисков, как правило, ограничивают еще и скорость изменения температуры окружающей среды или скорость изменения температуры охлаждающего воздуха, что при воздушном охлаждении фактически одно и то же, значениями не более (15…20) °С/час. В документации на жесткие диски различных производителей эта скорость изменения обычно обозначается как “temperature gradient” или “перепад температур”. См., например, п. 7.2.1 Temperature and humidity или п. 2.8.2 Temperature gradient, или п. Перепад температур.

Обычно вовсе не трудно ограничить нагрев банки и микросхем электроники жесткого диска на указанных выше уровнях. А вот не превысить указанную скорость изменения температуры окружающей среды посложнее. Особенно в первые (10…15) минут после включения системного блока, когда скорость нагрева воздуха в нем весьма высока. Изменение температуры воздуха вокруг жесткого диска за такое время не должно превышать (3…5) °С. Хотя на первый взгляд это и немного "лишка". Но….

Превышение рассмотренных параметров часто проявляется там, где в угоду минимизации общих шумов системного блока необдуманно сокращается количество вентиляторов и их скорость вращения. Нередко в корпусах, у которых площадь воздухозаборников для организации охлаждения жестких дисков недостаточна или же их и вовсе нет, жесткие диски оставляют “вариться в собственном соку” вовсе не задумываясь об их охлаждении.

Многолетний практический опыт автора показал, что наиболее часто как выход из строя жестких дисков, так и появление большого количества “бадов” наблюдается там, где пренебрегают охлаждением.

Вывод. В общем случае необходимо не только достойно охлаждать как банку с механикой, так и электронику диска, но и не допускать превышения температурного градиента охлаждающего воздуха. Т.е. создавать некоторое устройство или систему охлаждения, выполняющую эти (и не только) задачи.

Система – нечто целое, представляющее собой единство закономерно расположенных и находящихся во взаимной связи частей.

Как же вообще можно отобрать тепло у HDD?

Из теории известно, что количество тепла за единицу времени или тепловой поток q, отбираемый от любой охлаждаемой поверхности (чипа, жесткого диска и т.д.), описывается формулой Ньютона:

где:

• q — количество теплоты за единицу времени (единица измерения Дж/c или Вт),
• α — коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К,
• S — площадь поверхности теплообмена, м²,
• ΔT=Т-Твозд — перегрев или перепад температур между температурой охлаждаемой поверхности Т и температурой теплоносителя Твозд (температура воздуха при воздушном охлаждении), К.

Проще говоря, формула гласит, что количество тепла, отбираемое от любой охлаждаемой поверхности, прямо пропорционально:

• разнице температур между температурой охлаждаемой поверхности и температурой воздуха;
• площади охлаждаемой поверхности;
• коэффициенту теплоотдачи.

Выводы:

Улучшить охлаждение винчестера (увеличить количество отводимого тепла), можно всего-то только тремя методами:

• уменьшением температуры охлаждающего воздуха;
• увеличением площади поверхности теплообмена;
• увеличением коэффициента теплоотдачи.

Комбинированное использование этих методов резко повышает эффективность системы охлаждения жесткого диска.

А как это выглядит на практике?

Увеличение площади поверхности теплообмена

Площадь теплообмена обычно увеличивают с помощью радиаторов.

Из выражения (1) видно, что теоретически для увеличения скажем вдвое теплового потока (или, что то же самое, двукратного уменьшения перегрева), необходимо так же вдвое увеличить площадь теплообмена.

Практически же из-за того, что как свойства самих радиаторов, так и передача тепла от диска к радиатору неидеальны, требуется более чем двукратное увеличение площади теплообмена для двукратного уменьшения перегрева.

Кроме того, у HDD почти нет ровных поверхностей пригодных для установки толковых радиаторов.

Хотя вроде нет. Практически у всех жестких дисков имеется плоская поверхность, образованная тонкой жестянкой – крышкой гермоблока, на которую можно лихо приспособить солидный радиатор.

Но так как все греющиеся элементы закреплены на литом массивном основании, то отвод тепла от него по тонюсенькой жестянке с наклеенной бумажкой к радиатору сразу выглядит неперспективно. Путь же через воздух внутри банки и жестяную крышку тоже особо не прельщает.

Далее, кажется, что можно легко установить радиаторы на боковые поверхности жесткого диска, но в местах крепления имеются технологические приливы и плотного контакта с радиатором не получится.

Но выглядит это куда перспективнее, чем охлаждение через тонкую жестяную крышку. Особенно если не жалеть термопасты между радиатором и боковой поверхностью жесткого диска.

На практике отвод тепла от боковых поверхностей HDD наиболее распространен.

Можно, конечно, выровнять и отшлифовать боковые поверхности винчестера (потеря гарантии!!!). Потом установить на них вполне приличные радиаторы.

При таком раскладе охлаждение диска через боковые поверхности происходит довольно эффективно, но не оптимально:

• улучшение теплообмена наблюдается только через боковые поверхности, общая площадь которых составляет менее 1/6 части от общей площади поверхности банки;
• неравномерное охлаждение механики, т.к. не лучшим образом охлаждаются элементы, расположенные в середине банки вдали от радиаторов (боковых стенок);
• без дополнительного охлаждения остается электроника (хотя ? на наиболее горячие чипы так же можно, а в некоторых случаях и нужно приспособить радиаторы).

Ну, а установка еще и на нижнюю, как правило, весьма кривую поверхность множества мелких радиаторов достаточно трудоемко.

Однако в последнее время получили распространение мягкие теплопроводные прокладки. Они легко деформируются и позволяют передавать тепло от неровных поверхностей жесткого диска к радиатору.

Например, радиатор Titan TTC-HD92 через такую прокладку устанавливается на жесткий диск со стороны печатной платы и обеспечивает охлаждение и электроники, и банки.

Но небольшая теплопроводность прокладки не позволяет достигать высокой эффективности подобных решений.

Выводы:

• Внутри корпуса системного блока в условиях естественной конвекции воздуха, т.е. когда скорость движения воздушных масс мала, только с помощью радиаторов приемлемых размеров справиться с отводом тепла (достойным снижением перегрева), не так-то просто.
• Такое решение ввиду быстрого нагрева воздуха в корпусе после включения, как правило, не позволяет выполнить требования по скорости изменения температуры окружающей среды.

Добиться дальнейшего кардинального улучшения охлаждения можно только с помощью принудительной воздушной конвекции (т.е. интенсивного обдува).

Увеличение коэффициента теплоотдачи

Известно, что значения коэффициента теплоотдачи α (см. выражение 1) для естественной воздушной конвекции составляют примерно (2…10) Вт/м²К, а для принудительной (10…150) Вт/м²К (и даже больше), то есть практически на порядок выше.

Это позволяет так же на порядок увеличить тепловой поток (и, соответственно, на порядок уменьшить перегрев) и дает надежды на то, что обдув воздухом есть весьма эффективный метод улучшения охлаждения, который позволит получить прекрасное охлаждение даже без использования радиаторов.

И, коль это кажется столь перспективным, стоит подробнее разобраться с особенностями принудительного охлаждения.

Скорость движения воздуха

Чем выше скорость движения воздуха, тем больше коэффициент теплоотдачи α и, следовательно, поток тепла, отбираемого от охлаждаемой поверхности, но и, как правило, больше шум, создаваемый воздушным потоком.

А скорость воздуха и, следовательно, расход его определяются характеристиками используемого(мых) вентилятора(ов) и сопротивлением воздушному потоку системы охлаждения.

Этим, как правило, и ограничивается вся “мудрость” многих охлаждающих систем.

А, может этого и достаточно? И это лучшее. Вот и проанализируем “крылатые советы всех времен и всех форумов”.

Совет первый и самый частый. “Хочешь охладить, возьми вентилятор помощней, сунь под “брюхо” винчестера и готово. А шумит сильно – вентилятор послабее, да напряжение на нем понизить до (4…5) Вольт”.

Например, как это сделано в HDD кулере TITAN TTC-HD12, закрепляемом снизу винчестера.

Такой кулер прекрасно охлаждает электронику. А вот у банки обдувается только половинка “брюха” или около 1/6 части от общей площади поверхности банки, что требует воздушного потока приблизительно в шесть раз большего, чем при равномерном обдуве всей поверхности банки. Да еще вентилятор стоит вплотную к диску, что резко снижает его производительность и не менее резко повышает шум.

Выводы:

• Поэтому или сильный воздушный поток и сильный шум, или весьма посредственное охлаждение банки.
• При таком способе обдува со стороны “брюха” может сложиться ситуация, когда внутренний датчик винчестера может показывать температуру значительно меньшую реальной температуры большей части банки.
• Неравномерное охлаждение механики.
• Вибрации вентилятора могут передаваться на жесткий диск.

Не здорово.

Совет второй и очень частый. “Если дисков несколько, вешай их один над другим в “стандартную” корзину, ставь перед ними опять же вентилятор или даже два и порядок.”

И неважно, что зазор между дисками, установленными в большинство “стандартных” корзин, обычно не превышает двух-трех миллиметров. В такой зазор даже линейку непросто просунуть, а не то, что создать в нем приличный охлаждающий воздушный поток.

А уж до того, что воздушный поток от вентилятора после “удара” о переднюю поверхность диска (дисков) разлетается вверх, вниз и в стороны, нормально охлаждая только передние поверхности дисков и вовсе никому дела нет.

Выводы:

• Раз большая часть поверхности диска(ов) практически не обдувается, то или сильный воздушный поток и сильный шум, или весьма посредственное охлаждение банки.
• Неравномерное охлаждение механики.
• Да еще и электроника практически не обдувается.

Аналогичными недостатками обладает целый ряд «бескорпусных» охладителей для винчестеров. Они устанавливаются в свободный 5” отсек. Особенно ярко эти недостатки проявляются, если сверху и снизу имеются пустые отсеки. Кроме того такие устройства имеют повышенный шум от вентилятора(ов), установленного(ых) фактически на передней панели корпуса.

Да.… Именно из-за такого букета недостатков подобных устройств приходится чесать репу и вспоминать-придумывать что-то такое, что поможет охлаждать диски поэффективнее и потише.

Площадь охлаждения

Чем большая площадь поверхности диска участвует в процессе теплообмена и чем эффективнее используется воздушный поток, тем меньшей величины требуется он для равного охлаждения дисков, и тем тише такое устройство будет работать. Наибольшая площадь поверхности диска будет активно участвовать в процессе теплообмена с помощью вынужденной конвекции только при наличии воздушного потока равномерно “облизывающего” жесткий диск со всех сторон.

Воздушного потока, равномерно “облизывающего” практически всю площадь поверхности жесткого диска можно добиться при заключении диска в специальный кожух-воздуховод. Кожух будет направлять воздушный поток вдоль винчестера, не давая воздуху расходиться вверх, вниз и в стороны, как это происходит в подавляющем большинстве корзин (особенно с очень плотным расположением дисков) и в «бескорпусных» охладителях для винчестеров.

И замечательно будет, если этот воздуховод имеет доступ к “забортному” воздуху (см. Уменьшение температуры охлаждающего воздуха).

Примером такой конструкции служит HDD кулер CoolerMaster DHC-U43 CoolDrive 3. Его конструкция отличается от конструкций «бескорпусных» охладителей наличием алюминиевого кожуха-воздуховода. ? Он служит еще и радиатором, увеличивающим площадь теплообмена.

Для охлаждения сразу нескольких винчестеров служат устройства типа LIAN LI EX-332 HDD Mount Kit , устанавливаемые в свободные 5,25” отсеки.

Такого типа “корзины” имеют увеличенный зазор между дисками, закрыты сверху и снизу и позволяют обеспечить воздушный поток равномерно “облизывающий” практически всю площадь поверхности жестких дисков и позволяют организовать толковое охлаждение, как электроники, так и равномерное охлаждение банки с механикой.

Кроме того, такого типа “корзины” нередко оснащаются воздушными фильтрами и резиновыми амортизаторами для борьбы с шумами жестких дисков.

Формирование воздушного потока

В только что рассмотренных системах охлаждения жестких дисков вентиляционные решетки, воздухозаборники, сами жесткие диски и т.д. всегда являются препятствиями на пути движения воздушного потока, формируемого вентилятором, которому приходится создавать некоторое давление для преодоления сопротивления воздушному потоку.

Причем чем больший воздушный поток необходим для отвода тепла, и чем больше степень турбулентности этого потока, тем больше система охлаждения противодействует прохождению этого потока воздуха, тем большую работу приходится совершать вентилятору создающему этот поток. И тем более мощный требуется вентилятор для преодоления сопротивления. Соответственно растет создаваемый шум.

А поскольку сами вентиляторы (независимо от скорости вращения) формируют воздушный поток с высокой степенью турбулентности, то сопротивление системы с “нагнетающим” вентилятором на входе оказывается больше сопротивления системы с “ вытяжным” вентилятором на выходе.

В результате охлаждающие системы жестких дисков с “вытяжным” вентилятором по сравнению с системами с “нагнетающим” вентилятором имеют следующие преимущества:

• при одинаковых оборотах одинаковых вентиляторов несколько большую величину воздушного потока и, следовательно, несколько лучшее охлаждение;
• при одинаковом охлаждении требуются меньшие обороты одинаковых вентиляторов и, следовательно, получается меньший шум.

Толщина воздушного потока

Суммарная толщина воздушного потока с использованием “вытяжной” вентиляции в системе охлаждения HDD не должна быть слишком большой, так как слои воздуха наиболее удаленные от охлаждаемой поверхности мало участвуют в процессе охлаждения.

одной стороны, тут при неизменном расходе воздуха, чем тоньше воздушный поток, тем выше его скорость и, следовательно, лучше охлаждение диска (см. п. Скорость движения воздуха). Но в этом случае с уменьшением площади поперечного сечения воздушного потока растет сопротивление воздушному потоку, требуется более мощный вентилятор, растет шум.

другой стороны, если воздух нагревается в основном вблизи поверхности жесткого диска, то средняя температура избыточно толстого воздушного потока, прошедшего через систему охлаждения винчестера, возрастет весьма незначительно, и такой воздушный поток можно будет использовать для охлаждения других компонентов системного блока. Но прокачка избыточного воздуха опять же источник избыточного шума.

Практика показала, что в большинстве случаев оптимальная толщина потока вокруг типовых 3,5” дисков составляет 8-12 миллиметров. Со стороны тонкой жестяной крышки гермоблока эта величина может быть уменьшена до 5-8 миллиметров.

Для 2,5” дисков ввиду меньшего тепловыделения толщины потоков могут быть меньше. Конкретные значения оптимальной толщины потока вокруг 2,5” дисков автор дать не может, т.к. экспериментов с такими дисками не проводил.

При использовании “нагнетающей” вентиляции воздушный поток получается с очень высокой степенью турбулентности по всему поперечному сечению, и толщина его может быть в несколько раз больше. Но опять же прокачка избыточного воздуха - источник избыточного шума.

Да, а сколько ж надо этого воздуха для охлаждения диска?

Расход воздуха

Существует простая формула, которая позволяет с достаточной точностью рассчитать поток воздуха Q в кубических футах в минуту CFM (cubic feet per minute), требуемый для отвода от винчестера тепловой мощности W в Ваттах при допустимом перегреве ΔT в градусах Цельсия:

Данное соотношение однозначно показывает, какой производительностью Q должна обладать система охлаждения для отвода с помощью конвективного теплообмена требуемой тепловой мощности W при заданном перегреве ΔT.

Другие виды теплообмена - теплообмен теплопроводностью (передача тепла через непосредственный контакт с корзиной или, например, стенками корпуса) и лучистый теплообмен (перенос тепла излучением) здесь во внимание не принимаются. Тем более что при наличии прокладок и шайб, специальных амортизирующих, виброизолирующих креплений или мягкого подвеса жесткого диска для уменьшения шума, вклад этих двух механизмов в процесс теплообмена становится и вовсе мизерным. Поэтому их и можно не учитывать.

Для примера прикинем значение воздушного потока, необходимого для отвода среднестатистических (7…15) Вт тепла от жесткого диска с перегревом в зависимости от поставленных задач (5..15) °С.

Расчетное значение составляет

На основании найденного значения подбираются соответствующие вентиляторы, и конструируется воздушный тракт охлаждающей системы. Однако сразу надо сказать, что в правильной системе охлаждения величину воздушного потока для охлаждения одного диска может обеспечить практически любой вентилятор даже при пониженном питании.

Правда из-за худшего прогрева удаленных от охлаждаемой поверхности слоев воздуха и прокачки излишнего воздуха вовсе мимо жесткого диска, как правило, требуется несколько большее значение воздушного потока. Причем чем толще воздушный поток, тем больше прокачивается излишнего воздуха. Турбулентный поток прогревается равномернее, поэтому он экономнее ламинарного потока.

Уменьшение температуры охлаждающего воздуха

Здесь все просто.

На сколько градусов уменьшается температура охлаждающего воздуха, настолько же уменьшается температура винчестера.

Таким образом, обычные варианты с охлаждением винчестера воздухом, нагретым внутри корпуса, не являются оптимальными, хотя иногда они реализуются попроще.

Если исключить такую “экзотику”, как, например, установку системного блока в холодильник или использование зимой уличного воздуха для охлаждения, то для охлаждения винчестера оптимально воспользоваться забортным воздухом, т.е. воздухом, взятым снаружи системного блока, а не изнутри его, где воздух по определению теплее.

Системы, обеспечивающие приток свежего и холодного воздуха внутрь системного блока

Для создания притока воздуха для охлаждения диска обычно используются вентиляторы общей системы охлаждения в блоке питания, на задней или верхней стенке корпуса и т.д.

Такие решения используются сейчас во многих современных корпусах.

При “вытяжной” вентиляции, т.е. создающей в корпусе некоторое разряжение воздуха, часть воздуха засасываемого через вентиляционные отверстия направляется на жесткий диск.

При “нагнетающей” вентиляции, создающей в корпусе некоторое избыточное давление воздуха для обдува диска обязательно должен использоваться отдельный дополнительный вентилятор, расположенный перед диском.

Одновременно этот же вентилятор используется и в общей системе охлаждения для нагнетания воздуха в корпус.

Иногда используются специальные лотки-переходники для установки 3,5-дюймовых жестких дисков в 5-дюймовые отсеки корпуса.

На передней панели у них имеется вентилятор для обдува диска забортным воздухом.

Существуют такие устройства и для установки нескольких дисков.

Использование для охлаждения забортного воздуха позволяет не только автоматически выполнить требования по температурному градиенту, но и на несколько градусов уменьшить температуру диска.

Системы, обеспечивающие передачу тепла на наружную поверхность корпуса, охлаждаемую забортным воздухом

Такие решения используются сейчас довольно редко. В основном в безвентиляторных системах охлаждения, например, в корпусе Zalman TNN500A.

Здесь винчестер имеет тепловой контакт с боковой стенкой играющей роль радиатора, охлаждаемого забортным воздухом.

Однако на практике такое решение ввиду быстрого нагрева воздуха в корпусе после включения, как правило, не позволяет выполнить требования по температурному градиенту.

Вот что вспомнилось из того, что волей-неволей придется учитывать при разработке действительно эффективной и малошумящей системы охлаждения. Вот и поговорим о шуме.

Продолжение следует...